Máquinas simples

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La ciencia llama máquinas simples a cualquier artefacto o dispositivo que transforma una fuerza en otra , cuya intensidad es mayor o menor, o altera la dirección en que la fuerza actúa. Estas máquinas son sencillas, ingeniosas y facilitan las tareas cotidianas; de hecho, abundan en cualquier aparato que cuente con componentes mecánicos y partan de una premisa básica: deben ser capaces de modificar las fuerzas, magnificándolas, disminuyéndolas y/o cambiándoles el sentido y la dirección.

En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía; es decir, la energía no se crea ni se destruye, sino que solo se transforma. La suma de las fuerzas aplicadas, multiplicadas por las distancias recorridas por el cuerpo al cual se le aplican las fuerzas (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la distancia total (trabajo resultante). Ahora bien, no debe confundirse una máquina simple con mecanismos o sistemas de control o regulación de otras fuentes de energía.

ELEMENTOS DE UNA MÁQUINA SIMPLE

Las máquinas emplean tres elementos fundamentales en su funcionamiento:

• Punto de apoyo: es el punto sobre el cual se apoya o se mueve la máquina, también llamado fulcro, punto de eje o superficie sobre la cual se apoyan los otros dos elementos.
• Fuerza motriz o potencia (Fp): es la fuerza que se aplica para hacer funcionar la máquina.
• Fuerza de resistencia (Fr): es la fuerza que hay que vencer para mover o deformar un cuerpo.

El simple acto de andar en bicicleta implica poner en funcionamiento una serie de máquinas que nos permiten, apenas moviendo nuestros pies, viajar a una velocidad mucho mayor de la que podríamos alcanzar corriendo.

Otros elementos que se deben considerar en el rendimiento de las máquinas son:

• La distancia entre el punto en el que se aplica la potencia y el punto en el que se encuentra el apoyo.
• La distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la resistencia.

TIPOS DE MÁQUINAS SIMPLES

Las máquinas simples más comunes son la palanca, la polea y el plano inclinado. Sin embargo, esta lista no debe considerarse definitiva e inmodificable. Algunos autores consideran a la cuña y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado; otros, en cambio, incluyen a la rueda y al eje como máquinas simples.

• PALANCA

Es una de las máquinas más simples. Se trata de una barra que, sumada a un punto de apoyo, magnifica la fuerza y permite levantar pesadas cargas con un esfuerzo relativamente menor, aunque dicho esfuerzo debe ser aplicado a lo largo de una distancia mayor. La posición del punto de apoyo y el largo de la barra determinan la transformación de fuerzas.

Camión volcador. El cuerpo del volcador pivota justo encima y por detrás de las ruedas traseras. Los brazos hidráulicos empujan hacia arriba para levantar el volquete. El peso importante del camión está en el volquete, entre los brazos y el pívot (punto de apoyo), por lo que el volquete actúa como una gran palanca de segunda clase. Esto reduce el esfuerzo necesario para levantar el cuerpo y volcar la carga.

Dependiendo de la ubicación del punto de apoyo en relación a la potencia aplicada y la resistencia, así como de la dirección de dichas potencia y resistencia, las palancas se clasifican en tres categorías:

1. Palancas de primera clase:

El punto de apoyo (pivote) se encuentra entre la fuerza y la resistencia. Permite ganar fuerza pues cuanto más largo sea el brazo de fuerza que el de la resistencia, más fuerza se obtendrá.

Palanca de primera clase. La carga y la fuerza están en los lados opuestos del punto de apoyo. La carga incluso es mayor que la fuerza.

2. Palancas de segunda clase:

La resistencia se encuentra entre la fuerza y el punto de apoyo. Permite ganar fuerza, cuanto más distancia haya entre la resistencia y la fuerza.

Palanca de segunda clase. El esfuerzo se aplica más lejos del punto de apoyo que de la carga. La carga es mayor que el esfuerzo.

3. Palancas de tercera clase:

La fuerza se ejerce entre el punto de apoyo y la resistencia. En lugar de ganar fuerza, se pierde, aunque permite gran control de la carga.

Palanca de tercera clase. El esfuerzo se aplica más cerca del punto de apoyo que de la carga y es mucho mayor.

• POLEA

Son esencialmente útiles para levantar cargas en sentido vertical, mediante cuerdas y ruedas (poleas) que cambian la dirección de la fuerza. Cuanto mayor sea la cantidad de poleas y cuerdas, menor será el esfuerzo que debe aplicarse para levantar la carga; sin embargo, mayor debe ser la longitud de las cuerdas por lo que la cantidad de trabajo se mantiene.

Polea compuesta.

Las poleas tienen diversas utilidades, y su función varía si se trata de una polea simple fija, una polea simple móvil o una polea compuesta

1. La polea simple fija cambia la dirección de la fuerza necesaria para mover un cuerpo. La magnitud de la fuerza a aplicar no varía (no hay ventaja mecánica).

2. La polea simple móvil aumenta la longitud del desplazamiento del cuerpo (la cuerda es del doble de la distancia que queremos mover el cuerpo) a cambio de reducir a la mitad la magnitud de la fuerza a ejercer, lo cual representa una clara ventaja mecánica.

3. Polea compuesta o aparejos es el nombre que se le da a un conjunto o sistema de poleas interconectadas. Produce una gran ventaja mecánica que varía dependiendo de la forma en que se realiza la conexión.

Imagen de una grúa gigante. En lugar de usar cuerdas, esta gran grúa usa fuertes cables de acero para soportar las cargas más pesadas. Varias poleas y cables trabajan juntos para reducir el esfuerzo que se necesita para levantar una carga pesada. El peso de la carga se reparte entre los cables en las poleas y, de este modo, se necesita menos fuerza para levantarlo.

• PLANO INCLINADO

Permite elevar cargas a cierta altura con menor fuerza de la que se necesitaría sin dicho plano inclinado. Sin embargo, para reducir el esfuerzo se debe disminuir el ángulo del mismo; es decir, incrementar la distancia entre el punto de partida y el de llegada.

Ruta de montaña. El plano inclinado o rampa facilita el ascenso de los objetos. El motor debe realizar menos fuerza para llevar el vehículo a la cima, aunque debe recorrer mayor distancia, por lo que la energía se mantiene.

Para analizar las fuerzas existentes sobre un cuerpo situado sobre un plano inclinado, hay que tener en cuenta la existencia de varios orígenes en las mismas:

• En primer lugar, se debe considerar la existencia de una fuerza de gravedad, o peso, que es consecuencia de la masa que posee el cuerpo apoyado en el plano inclinado multiplicado por la gravedad.
• Existe además una fuerza normal, también conocida como la fuerza de contacto con la superficie del plano, ejercida sobre el cuerpo por el plano, que se encuentra en una dirección perpendicular al plano y tiene una magnitud igual a la fuerza del peso ejercida por el cuerpo sobre el plano.
• Existe finalmente una fuerza de rozamiento, también conocida como fuerza de fricción, que siempre se opone al sentido del movimiento del cuerpo respecto a la superficie, y su magnitud depende tanto del peso como de las características superficiales del plano inclinado y la superficie en contacto del cuerpo.

Los tornillos utilizan un principio similar al del plano inclinado y se basan en crestas en torno de un cilindro o cono. Cuanto mayor sea el número de crestas, menor será el esfuerzo a realizar, aunque mayor será el número de vueltas requeridas para fijar el tornillo.

UTILIDAD

La utilidad de una máquina simple radica en que permite ejercer una fuerza mayor que la que una sola persona podría aplicar, o aplicarla de forma más eficaz. Todas las máquinas simples convierten una fuerza pequeña en una grande, o viceversa. El aumento de la fuerza suele hacerse a expensas de la velocidad. La relación entre la fuerza aplicada y la resistencia ofrecida por la carga contra la que actúa la fuerza se denomina ventaja mecánica. Por ejemplo, la ventaja mecánica de una palanca es igual a la relación entre la longitud de sus dos brazos. En tanto, la ventaja mecánica de un plano inclinado, cuando la fuerza actúa en dirección paralela al plano, es la cosecante del ángulo de inclinación.

A menudo, una máquina consta de dos o más herramientas o artefactos simples, de modo que las máquinas simples se usan habitualmente en alguna combinación oportuna, como componentes de máquinas más complejas.